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透过压力及应变管理强化高精度倾斜/角度感测性能
 

【作者: ADI提供】2021年09月10日 星期五

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加速度计是一种非常不错的感测器,可以感测开始倾塌的大桥在重力作用下,呈现细微的方向变化时的静态和动态加速度。这些感测器包括当您倾斜手机显示萤幕时,可以改变显示萤幕方向的手机应用元件,也包括受出囗管制,可以帮助军用车辆或航空导航的战术级元件。[1]


然而,与大多数感测器一样,该感测器在实验室或试验台上表现卓越是一回事,面对荒凉、不受控制的环境条件和温度压力时,要保持同等的系统级性能,则完全是另一回事了。像人类一样,当加速度计在其生命周期中承受了前所未有的压力时,系统会有反应,并可能因这些压力的影响而发生故障。


高精度倾斜感测系统在校准之後,倾斜精度一般可以优於1度。使用先进的超低杂讯和高度稳定的加速度计,例如ADXL354 或ADXL355,透过对可观测到的误差源进行校准,其倾斜精度可以达到0.005度。[2]但是,只有在适当减轻压力的情况下才能达到这种精度水准。例如感测器承受的压缩/拉压力可能导致其出现高达20 mg的偏移,使得倾斜误差超过1度。


本文探讨采用加速度计的高精度角度/倾斜感测系统的性能指标。我们首先从微观角度分析感测器设计,以便能更了解微米级压力和应变的影响。分析显示,如果不遵循整体的机械和物理设计方法,则会出现一些令人惊讶的结果。最後,本文将为设计人员介绍有助於在要求严苛的应用中充分提升性能、切实可行的步骤。


ADXL35x感测器设计

从价格和性能角度来看,基於MEMS的加速度计适用於从消费类产品到军用感测的各类应用。ADI的低杂讯加速度计ADXL354和ADXL355,可以支援精密倾斜感测、地震成像等应用,以及机器人和平台稳定等许多新兴应用。


ADXL355具备的特性,使其在高精度倾斜/角度感测应用中具有独特的优势,例如卓越的杂讯、偏移、重复性和与温度相关的偏移,以及振动校正和跨轴灵敏度等二阶效应。本文将以这种特定的感测器作为高精度加速度计的示例来详细探讨;但是,本节中讨论的原理适用於绝大多数三轴MEMS加速度计。


为了能更加理解促使ADXL355实现高性能的设计考量,首先检视感测器的内部结构,阐明三轴对环境叁数(例如平面外压力)产生不同回应的原因。在许多情况下,这种平面外压力都是由感测器z轴上的温度梯度引起的。


ADXL35x系列加速度计包含一个弹簧品质系统,这与许多其他的MEMS加速度计类似。品质回应外部加速度(静态加速度(如重力)或动态加速度(如速度变化))而移动,其物理位移透过传导机制进行检测。MEMS感测器采用的最常见的传导机制,包括电容式、压阻式、压电式或磁性。


ADXL355采用电容传导机制,透过电容变化来检测移动,而电容变化透过读取电路可转换为电压或电流输出。虽然ADXL355对矽晶片上的所有三轴感测器都采用了电容传导机制,但X/Y感测器和Z感测器采用了两种完全不同的电容检测架构。X/Y感测器均基於差分平面内叉指,而Z感测器是平面外平行板电容感测器,如图1所示。


图1 : ADXL355的感测器架构。对於X/Y感测器,随着标准质量的移动,固定指与标准质量所连接的叉指之间的电容会发生变化。z轴感测器上的品质不均衡,因此可以对z轴加速度进行平面外检测。
图1 : ADXL355的感测器架构。对於X/Y感测器,随着标准质量的移动,固定指与标准质量所连接的叉指之间的电容会发生变化。z轴感测器上的品质不均衡,因此可以对z轴加速度进行平面外检测。

如果感测器上存在压缩压力或拉压力,MEMS晶片会翘曲。由於检测品质块透过弹簧悬挂在衬底上方,所以不会和衬底一起翘曲,但品质块和衬底之间的间隙会发生变化。


对於X/Y感测器,由於平面内位移对叉指电容变化的影响最大,所以间隙不在电容灵敏度这个方向,这是由边缘电场的补偿作用导致的。但是,对於Z感测器,衬底和检测品质块之间的间隙实际上是感测间隙。所以,它会对Z感测器产生直接影响,因为它有效改变了Z感测器的检测间隙。此外,Z感测器位於晶片中央,只要晶片受到任何压力,该位置都会产生大幅的翘曲。


除了物理压力之外,由於在大多数应用中,z轴上的热传递都不对称,所以z轴感测器上经常存在温度梯度。在典型应用中,感测器焊接在印刷电路板(PCB)上,而且整个系统都在封装内。X和Y轴的热传递主要透过封装周边的焊点来传递,并传递到对称的PCB上。


但是,在z方向,由於晶片顶部存在焊点和对流,所以热传递通过底部传导,热量会透过空气传递到封装外。由於这种不匹配,z轴上会出现残馀的温差梯度。与物理压缩/拉压力一样,这会使z轴上出现并非由加速度导致的偏移。


受环境压力影响的资料评述

ADXL354(类比输出)加速度计可以连接至任何类比数据获取系统来实施数据分析,而ADXL355评估板经过优化,可直接放入客户系统中,从而简化了现有嵌入式系统的原型设计。


本文中使用小型评估板EVAL-ADXL35x。为了记录和分析资料,将EVAL-ADXL35x连接至SDP-K1微控制器板,并使用Mbed环境进行编程。Mbed是适用於Arm 微控制器板的开源和免费开发环境,配有一个线上编译器,可以帮助快速建构。SDP-K1板在连接至PC时,会显示为外部驱动器。要对该板编程时,只需将编译器产生的二进位档案拖放到SDP-K1驱动器中即可。[3,4]


一旦Mbed系统透过UART记录资料,就形成了一个基本的测试环境,可以尝试进行ADXL355实验,并将输出传输到简单埠,用於记录资料和进一步分析。需要注意的是,无论加速度计的输出资料速率是多少,Mbed代码都以2 Hz的速率记录暂存器。在Mbed中也可以采用更快的记录速度,但本文不做阐述。


良好的初始资料集有助於确定基准性能,并验证我们後续进行的大部分数据分析中可能出现的杂讯水准。使用具有吸盘装置的PanaVise铰接式虎钳[5],这样将该设备黏附在玻璃表面时,就可以透过工作台设定实现相当稳定的工作表面。采用这种配置,ADXL355板(从侧面固定)与实验室工作台一样稳定。


更进阶的电力用户可能会注意到,安装这种虎钳虽然存在着倾翻的风险,但这是一种简单而经济的方法,可以根据重力改变方向。如图2所示安装ADXL355板之後,持续60秒采集一组资料进行首次分析。


图2 : 使用 EVAL-ADXL35x、SDP-K1和PanaVise支架的测试装置。
图2 : 使用 EVAL-ADXL35x、SDP-K1和PanaVise支架的测试装置。
图3 : 未采用低通滤波器(暂存器 0x28=0x00)时的ADXL355资料,采集数据时长超过1分钟。
图3 : 未采用低通滤波器(暂存器 0x28=0x00)时的ADXL355资料,采集数据时长超过1分钟。

取120个数据点并测量标准差,显示杂讯在800 μg到1.1 mg之间。根据ADXL355数据手册中的典型性能规格,所列出的杂讯密度为25 μg/??Hz。在预设的低通滤波器(LPF)设定下,加速度计的频宽约为1000 Hz。假设采用砖墙式滤波器,此时杂讯大约为 25 μg/??Hz ×??1000 Hz = 791 μg 。这个初始资料集通过了首次取样测试。


准确地说,从杂讯谱密度向有效值杂讯的转换采用的系数应可以表示一个事实,即数位LPF不会无限滚降(亦即一个砖墙式滤波器)。有些使用1.6×系数可实现简单的RC单极点20 dB/倍频程滚降,但ADXL355数位低通滤波器不是单极点RC滤波器。无论如何,假设系数在1和1.6之间,至少可以让我们正确预估杂讯近似值。


对於许多精密感测应用,相对於被测量的讯号,1000 Hz频宽的范围过於宽大。为了帮助优化频宽和杂讯之间的折衷空间,ADXL355采用了一个板载数位低通滤波器。


在接下来的测试中,将LPF设定为4 Hz,这将使杂讯系数降低。该测试在Mbed环境中使用图4所示的简单结构完成,资料如图5所示。



图4 : 用於配置暂存器的Mbed代码。
图4 : 用於配置暂存器的Mbed代码。
图5 : LPF设定为4 Hz(暂存器0x28=0x08)时的ADXL355资料,采集数据时长超过1分钟。
图5 : LPF设定为4 Hz(暂存器0x28=0x08)时的ADXL355资料,采集数据时长超过1分钟。

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经过滤波後,杂讯如预期一样显着下降。如表1所示。


表1: ADXL355的预期杂讯和测量杂讯

 

杂讯

X

Y

Z

理论值 μg

测量值 μg

理论值 μg

测量值 μg

理论值(μg

测量值 μg

无滤波器

791

923

791

1139

791

805

4 Hz滤波器

50

58

50

185

50

63


表1显示,在目前设定下,y轴的杂讯高於预期的理论值。在调查可能的原因以後,我们发现额外的笔记型电脑和其他实验室设备风扇的振动可能在y轴上表现为杂讯。


为了验证这一点,藉由转动虎钳让x轴到达y轴原先所在的位置,结果显示,x轴成为了杂讯更高的轴。轴与轴之间的杂讯差异则似??是仪表杂讯,而不是加速度计各轴之间杂讯水准本身的差异。这种类型的测试实际上是对低杂讯加速度计的「初始」测试,从而增强了进一步测试的信心。


为了解热冲击会对ADXL355造成多大影响,我们选用一把热风枪[7],将它调整到冷风模式(实际上比室温高几度),以便给加速度计施加热压力。我们也使用ADXL355的板载温度感测器来记录温度。


在本次实验中,使用虎钳将ADXL355垂直放置,用热风枪对封装顶部吹风。在预期实验过程中偏移时的温度系数会随着晶片温度的升高而显现,但任何温差热压力几??会立即呈现出来。


换句话说,如果单个检测轴对温差热压力很敏感,那麽加速度计输出中可能出现大的起伏。删除资料变化较为平缓时的平均值,就可轻松地同时比较三个轴。结果如图6所示。


图6 : 使用采用冷风模式的热风枪时,ADXL355的热冲击资料。
图6 : 使用采用冷风模式的热风枪时,ADXL355的热冲击资料。

从图6中可以看出,用热风枪将温度稍高的风吹到密封型陶瓷封装上。结果,z轴上出现~1500 μg的偏移,y轴上的偏移要小的多(可能为~100 μg),x轴上则几??无偏移。虽然许多最终客户产品的PCB顶部有外壳,可以分散温差热压力,但我们需要考虑这些类型的快速瞬变压力,从这个简单测试中可以看出,这些压力可能会表现为偏移误差。


图7显示了关闭热风枪之後,呈现的相反的极性效应。


图7 : 在t=240秒关闭热风枪时,ADXL355受到的热冲击。
图7 : 在t=240秒关闭热风枪时,ADXL355受到的热冲击。

在加热环境中使用热风枪时,这种效果更加明显;即温度冲击的幅度更大时。Weller热风枪的输出温度约为摄氏400度,所以在使用时,需间隔一段距离,以免因为过热或热冲击造成损坏。


在本次测试中,热风枪在距离ADXL355大约15 cm的位置吹出热风,导致温度立即升高大约摄氏40度,如图8所示。


图8 : 使用热风枪时,ADXL355 受到的热冲击。
图8 : 使用热风枪时,ADXL355 受到的热冲击。

尽管热冲击的强度相当大,但在本次实验期间,仍然可以明显看到,z轴的反应速度要比x轴和y轴快得多。使用产品手册中的偏移温度系数,当温度发生试摄氏40度偏移时,将会看到约100 μg/摄氏度数×摄氏40度 = 4 mg的偏移,x轴和y轴最终会显示这一点。但是,我们发现z轴上几??立刻出现10 mg偏移,说明这种影响与温度导致的偏移不同。这是由感测器上的温差热压力/应变造成的,在z轴上表现得最明显,如前文所述,此为相较於x和y轴,z轴上的感测器对温差压力更敏感。


ADXL355的典型偏移温度系数(失调温度系数)设为+/-100 μg/摄氏度数。我们需要理解此处所用的测试方法,这非常重要,因为失调温度系数是在烤箱中使用加速度计进行测量的。在感测器的温度范围内,烤箱温度慢慢上升,我们测量偏移的斜度。典型示例如图9所示。


图9 : ADXL355在烤箱中进行测试的温度特性。
图9 : ADXL355在烤箱中进行测试的温度特性。

图中显示了两种影响。一种是产品描述和记录的失调温度系数。这是烤箱以摄氏5度/分钟的速度升温,但不保温的情况下,在摄氏-45度到+120度的温度范围内许多产品的平均值。从与图9类似的图表中可以得出此结果,而且可以指出在高於摄氏165度时为18 mg,或约109 μg/摄氏度数,稍微超出100 μg/摄氏度数典型值的范围,但仍在原设定的最小值和最大值范围内。


但是,考虑一下图9右侧所示的情况,让元件在摄氏120度下保温15分钟会如何。当设备处於高温下时,实际的偏移量下降并改善。在这种情况下,平均值在高於摄氏165度时接近10 mg,或失调温度系数约为60 μg/摄氏度数。产生的第二种影响与温差热压力有关,感测器检测品质块在整个矽晶片元件的温度范围内稳定下来後,压力随之降低。


图6到图8所示的热风枪测试也显示了这种影响,与产品本身设定的长期失调温度系数相比,这种影响会在更短的时间量程内显现。对於因受总体的热动力学影响,升温速度远远慢於摄氏5度/分钟的许多系统而言,上述发现相当具有价值。


影响稳定性的其他因素

在深入理解设计中的热压力之後,还需了解惯性感测器的另一个重要方面,即其长期稳定性或可重复性。可重复性是指在相同条件下长时间连续测量的准确性。例如在一段时间内,对相同温度下同一方向的重力场进行两次测量,并观察其匹配程度。对於无法定期实施维护校准的应用,在评估感测器的长期稳定性时,偏移的可重复性和灵敏度是至关重要的因素。许多感测器制造商未在其产品手册中描述或规定长期稳定性。


ADXL355设定可重复性为10年寿命预测值,包括高温工作寿命测试(HTOL)、测量温度??圈(摄氏?55度至+125度且??圈1000次)、速度随机游走、宽频杂讯和温度迟滞引起的测量偏移。ADXL35x系列具有可重复性,ADXL355的X/Y感测器和Z感测器的精度分别为+/-2 mg和+/-3 mg。


在稳定的机械、环境和惯性条件下,可重复性遵循平方根定律,因为它与测量的时间有关。例如要获得x轴在两年半的时间里(对於最终产品来说,可能是很短的一段时间)的偏移可重复性,可以使用以下公式计算+/-2 mg × ??(2.5 years/10 years) =+/-1 mg。图10显示在23天内,32个元件的HTOL测试结果:偏移为0 g。在此图中可以清楚地看到平方根定律。还应该强调的是,由於MEMS感测器制造过程中的制程差异,每个元件的性能都不同,有些元件的性能优於其他元件。


图10 : ADXL355长达500小时的长期稳定性。
图10 : ADXL355长达500小时的长期稳定性。

机械系统设计建议

经过上述分析探讨,很明显可以看出,机械安装表面和外壳设计可以帮助提升ADXL355感测器的总体性能,因为它们会影响传递给感测器的物理压力。


一般来说,机械安装、外壳和感测器会构成一个二阶(或更高阶)系统;因此,在谐振或过阻尼期间,它会产生不同的回应。机械支援系统具有代表这些二阶系统的模式(由谐振频率和品质因数定义)。


在大多数情况下,我们的目标是了解这些因素,并尽量减少它们对感测系统的影响。因此,选择的感测器的封装外形、所有介面和材料都应该能够避免在ADXL355应用的频宽内造成机械衰减(因为过阻尼)或放大(因为谐振)。本文对这些具体的设计考量因素不予过多探讨;简要列下一些实用项目:


PCB、安装和外壳

· 将PCB牢固地黏接在刚性衬底上。使用多个安装螺钉,并在PCB背面使用黏胶,确保牢靠支援。


· 将感测器放置在靠近安装螺钉或固定板的位置。如果PCB体积较大(约几英寸),则在板中央使用多个安装螺钉,避免PCB出现低频振动,因为这种振动会影响加速度计的测量结果。


· 如果PCB只是由凹槽/凸沿结构提供机械支撑,则使用更厚的PCB(推荐厚度大於2 mm)。在PCB尺寸较大时,增加其厚度来保持系统的刚性。使用有限元分析(例如ANSYS或类似分析),针对特定设计确定最隹PCB外形尺寸和厚度。


· 对於如对感测器实施长时间测量结构健康监测之应用,感测器的长期稳定性至关重要。在选择封装、PCB和黏胶材料时,应选择在长时间内性能下降或机械特性变化最小的产品,以免为感测器带来额外的压力,进而导致出现偏移。


· 避免对外壳的固有频率进行假设。对简单的外壳实施固有振动模型计算,对复杂的外壳设计进行有限元分析,将会很有帮助。


· 将ADXL355和电路板焊接在一起会产生压力,导致出现高达几mg的偏移。为了减轻这种影响,建议PCB焊垫图案、导热片和铜走线导热路径采用对称布局。而在某些情况下,发现在校准前实施焊料退火或热??圈,可以帮助缓解压力累积和帮助管理长期稳定性问题。


灌注材料

灌注材料广泛用於将电子元件固定在外壳内。如果感测器封装采用的是二次成型塑胶,例如连接盘网格阵列(LGA),则不建议使用灌注材料,因为它们的温度系数(TC)与外壳材料不匹配,会导致压力直接影响感测器,从而发生偏移。但是,ADXL355采用气密陶瓷封装,可以有效保护感测器不受TC影响。但是,灌注材料可能仍会在PCB上形成压力累积,这是因为随着时间流逝,材料的性能会退化,导致矽晶片出现微小翘曲,在感测器上形成压力。


对於需要在长时间内保持稳定性的应用,一般建议避免使用灌注。低压力保形涂层(例如C型聚对二甲苯)可以提供一些防潮层,用於代替灌注。8


气流、热传递和热平衡

为了达到最隹的感测器性能,需要在温度稳定性得到优化的环境中设计、放置和使用检测系统,这非常重要。如本文所示,由於感测器晶片上存在温差热压力,即使微小的温度变化也可能导致意想不到的後果。以下建议:


· 应将感测器置於PCB上,以大幅降低感测器上的热梯度。例如,线性稳压器会产生大量热量;所以,它们在接近感测器时,会在MEMS上产生热梯度,并且热梯度将会随着稳压器的电流输出不同而变化。


· 尽可能将感测器模组部署在远离气流(例如HVAC)的区域,以避免频繁的温度波动。如果不可行,在封装外部或内部采取热隔离会大有帮助,可以透过热绝缘实现。注意,传导和对流热路径都需要考虑。


· 建议选择外壳的热品质,使其可以在无法避免环境热变化的应用中抑制环境热波动。


结论

本文阐述了在未充分考虑环境和机械影响的情况下,高精度ADXL355加速度计的性能会如何下降。透过整体的设计实践,同时关注系统级配置,将使敏锐的工程师可以达到卓越的感测器系统性能。许多人都承受着前所未有的生活压力,但重要的是面对压力我们如何因应,加速度计也是如此。


(本文作者Paul Perrault1、Mahdi Sadeghi2为ADI1资深现场应用工程师及2产品应用工程师)


电路叁考资料

[1] Chris Murphy。 “Choosing the Most Suitable MEMs Accelerometer for Your ApplicationPart 1.。” 《类比对话》,第51卷,第4期,2017年10月。


[2] Chris Murphy。 “Accelerometer Tilt Measure Over Temperature and in the Presence of Vibration.。” 《类比对话》,2017年8月。


[3] SDP-K1评估系统。ADI。


[4] Mbed:SDP-K1使用者指南。ADI。


[5] PanaVise铰接式托架。PanaVise。


[6] Mbed代码。ADI。


[7] Weller 6966C热风/冷风枪。Weller。


[8] Parylene。维基百科。


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